Influência de variáveis operacionais no desempenho de classificador aerodinâmico.

Abstract

Dynamic air classification occupies a central position in the grinding circuits of cement and several other industrial minerals. An important recent application of this device is in the reduction of the proportion of fine (< 75 µm) material contained in fine aggregate for construction that is produced by crushing. The present paper analyzes the influence of a number of variables on the performance of a pilot-scale Sturtevant classifier, aiming at providing data for mathematical modeling. It is demonstrated that the performance of the classifier is significantly influenced by feed moisture content, rotor frequency and the position of the rejection elements, being just marginally influenced by particle shape and the feed rate, within the range of the studied conditions.

Keywords: Dry classification, performance evaluation, efficiency.

Mineração

Influência de variáveis operacionais no

desempenho de classificador aerodinâmico

(Influence of operating variables on the performance of a

dynamic air classifier)

Luís Marcelo Marques Tavares

Laboratório de Tecnologia Mineral, Programa de Engenharia Metalúrgica e de Materiais, COPPE/UFRJ E-mail: tavares@metalmat.ufrj.br

Emerson Reikdal da Cunha

Laboratório de Tecnologia Mineral, Programa de Engenharia Metalúrgica e de Materiais, COPPE/UFRJ E-mail: emerson@metalmat.ufrj.br

Salvador Luiz de Almeida

Centro de Tecnologia Mineral, CETEM/MCT E-mail: salmeida@cetem.gov.br

Resumo

A classificação dinâmica a seco ocupa uma posição de destaque em circuitos de moagem de cimento e de diversos minerais industriais. Uma importante aplicação recente desse equipamento tem sido na adequação da proporção de material pulverulento (< 75 µm) contido em agregados miúdos (areias) para a construção civil, pro-duzidos por britagem. O presente trabalho investiga a influência de uma série de variáveis no desempenho de um classificador Sturtevant, que opera em escala-piloto, visando a fornecer subsídios para a modelagem matemá-tica. É demonstrado que o seu desempenho é significati-vamente influenciado pelo teor de umidade, pela freqüên-cia de rotações e pela posição dos elementos de rejeição, sendo, apenas, marginalmente, afetado pela forma de par-tícula e taxa de alimentação de sólidos, dentro do interva-lo estudado.

Palavras-chave: Classificação a seco, avaliação do

1. Introdução

A classificação dinâmica a seco (ae-rodinâmica) ocupa uma posição de des-taque em circuitos de cominuição nas indústrias cimenteira, química e de fár-macos. Na indústria mineral, ela é empre-gada com freqüência como parte da mo-agem fina de minerais industriais. Uma outra aplicação mais recente tem sido na produção de areia manufaturada para a construção civil, na qual ela é uma im-portante alternativa na remoção parcial da fração fina do produto britado [1].

Classificadores (ou separadores) dinâmicos empregados na indústria são classificados de acordo com os meca-nismos adotados na separação em três tipos, também denominadas gerações. Nos separadores de primeira geração, a alimentação se dá por meio de um prato distribuidor, cuja freqüência de rotações é a mesma do ventilador e das palhetas, de maneira que o fluxo de ar, no separa-dor, não pode ser controlado indepen-dentemente. Nesse separador, a ventila-ção é interna e a separaventila-ção dos finos da corrente do fluido é realizada dentro do próprio separador, não sendo muito efi-ciente. Exemplos desse tipo de separa-dor são o Whirlwind da Sturtevant e o

separador aerodinâmico da Furlan. Os separadores de segunda geração se ca-racterizam pelo uso de ventilação exter-na, que permite o controle independente do fluxo de ar ao separador. Esses sepa-radores também permitem uma melhor separação dos finos da corrente do flui-do pelo uso de pequenos ciclones exter-nos. Os separadores de terceira geração se diferenciam dos de segunda pelo uso de uma gaiola na qual as palhetas são colocadas. Isso permite um aumento da área efetiva de separação, a qual é, com-parativamente, pequena nos separado-res de primeira e segunda geração. A ali-mentação não se dá mais em um prato distribuidor, mas sobre a gaiola. Exem-plos desse tipo de separador em uso no Brasil são o SEPOL da Polysius, o

Stur-tevant SD da Sturtevant e o Presep

VTP da PSP Engineering.

Um diagrama esquemático de um separador dinâmico de primeira geração

é apresentado na Figura 1. A separação de partículas no interior de separadores dinâmicos é o resultado da ação das for-ças centrífuga, gravitacional e de arraste do fluido (tipicamente o ar). O material que entra através da calha de alimenta-ção é sujeito à aalimenta-ção da força centrífuga, que projeta as partículas grossas do pra-to dispersor na direção do fluxo de ar. Devido à ação da gravidade, as partícu-las grossas caem, sendo coletadas no cone de grossos. As partículas finas, por outro lado, são arrastadas pelo fluxo as-cendente do fluido produzido pelo ven-tilador (palhetas fixas). Durante essa se-paração secundária, partículas grossas ainda remanescentes não são capazes de acompanhar o fluxo de ar enquanto con-torna as palhetas (reguláveis) em movi-mento, caindo, também, para dentro do cone de grossos. Os finos que são capa-zes de passar com sucesso continuam a se deslocar através do ventilador para dentro do cone dos finos. Ainda que guns estudos tenham analisado em al-gum detalhe o complexo escoamento do fluido e o movimento de partículas no interior do equipamento [2], modelos matemáticos de simulação da separação ainda não se encontram amplamente dis-poníveis para esses equipamentos [3-5].

O presente trabalho investiga a in-fluência de várias variáveis operacionais no desempenho de um separador de pri-meira geração em operação em escala-piloto, com vistas a fornecer subsídios para a modelagem matemática desses classificadores.

2. Desenvolvimento

experimental

2.1 Materiais

As amostras utilizadas no estudo são de produtos de britagem, passantes em peneira de 4,8 mm, provenientes da Pedra Sul Mineração Ltda (Matias Bar-bosa, MG). A rocha, de origem metamór-fica, e classificada como granulito, é com-posta, predominantemente, por feldspa-tos alcalinos, plagioclásio, quartzo e hi-perstênio [6].

As distribuições granulométricas das amostras são apresentadas na Figu-ra 2. Ainda que de mesma composição mineralógica e distribuições granulomé-tricas semelhantes, as amostras analisa-das apresentam diferentes formas de partículas, resultado do uso de diferen-tes processos de britagem [7]. A Tabela

1 compara os parâmetros de forma das partículas, obtidos a partir de análises de imagens de microscopia ótica. A esfe-ricidade é definida como a razão entre o produto de 4π e a área projedada de cada partícula pelo quadrado do seu períme-tro, enquanto a razão de aspecto descre-ve a razão entre o comprimento e a largu-ra de uma partícula, determinados a par-tir de imagens bidimensionais [7]. A mas-sa específica da rocha, determinada por picnometria, é igual a 2,80 g/cm³.

2.2 Equipamento

O aparelho usado nos experimen-tos foi um separador dinâmico de primei-ra geprimei-ração, do tipo Sturtevant. Um dia-grama esquemático do classificador, ope-rado em circuito aberto em escala-piloto, é apresentado na Figura 1. Nesse apare-lho, não existe controle independente do prato dispersor e do rotor, movendo-se ambos à mesma freqüência. O classifica-dor, que apresenta capacidade nominal de 200 kg/h, é equipado com um rotor que mede 253 mm de diâmetro, ao qual são fixadas 12 palhetas (também chama-dos elementos de rejeição) (Figura 1). A alimentação é realizada com o auxílio de um alimentador vibratório e um silo, que permitem a manutenção da taxa de ali-mentação durante todo o período de exe-cução do ensaio, dentro de ±10% do valor estabelecido.

2.3 Procedimento

experimental

O primeiro passo no trabalho expe-rimental consistiu do ajuste da freqüên-cia de rotações do rotor (pela seleção do diâmetro adequado da polia do rotor) e da posição (ângulo) das palhetas.

Para cada material ensaiado, o pro-cedimento experimental empregado con-sistiu da separação de um lote de aproxi-madamente 10 kg de amostra (previamen-te seca em estufa), controle de umidade pela adição (ou não) de água, seguido de homogeneização em um misturador em V pelo período de 20 minutos.

Ime-diatamente após a mistura, a alimenta-ção era levada ao silo do alimentador vi-bratório e executado o ensaio.

Após a realização dos ensaios, os produtos foram pesados, a fim de esta-belecer o balanço de massas. Amostras dos produtos grosso e fino de cada en-saio foram coletadas, quarteadas e ana-lisadas por peneiramento pelo método híbrido (úmido/seco) em um peneirador Ro-Tap, usando uma série de peneiras

de 4,75 até 0,037 mm, que segue uma pro-gressão geométrica com razão igual a

2. Essas informações foram utilizadas

no cálculo das curvas de partição (Tromp) dos ensaios. Essas curvas po-dem ser calculadas a partir de diferentes estratégias [4]. No presente estudo, os coeficientes de partição para o produto grosso (E_ui) foram calculados a partir das

equações fi ui ui

W

Y

W

E

ˆ

100

=

na qual W_ui e Wˆif são as distribuições

granulométricas do produto underflow

(grosso) e da alimentação (reconstituí-da), respectivamente, e o rendimento Y

de produto grosso é dado por

∑

−

∑

−

−

=

i ui oi N

i fi oi ui oi

W

W

W

W

W

W

Y

)

(

)

)(

(

sendo W_oie W_fias análises

granulométri-cas do produto fino e da alimentação, respectivamente, e N é o número de

in-tervalos de tamanhos analisados. Figura 2 - Análises granulométricas das amostras ensaiadas.

3. Resultados e

discussão

3.1 Avaliação do

desempenho do

classificador

A curva de Tromp é a ferramenta mais poderosa na avaliação do desem-penho de classificadores e separadores gravimétricos [8]. Ela permite que o de-sempenho do separador seja avaliado de maneira relativamente independente da distribuição granulométrica da alimenta-ção, representando, também, uma ferra-menta muito útil na simulação do pro-cesso.

Resultados típicos de classificação são apresentados na Figura 3. Ela mos-tra que os valores de imperfeição (dada pela razão entre o intervalo interquartil médio e o tamanho de corte - d₅₀) são, surpreendentemente, comparáveis àque-les encontrados em hidrociclones e clas-sificadores helicoidais, quando usados em tarefas semelhantes [9].

A Figura 3 também apresenta os resultados replicados dos ensaios, per-mitindo a avaliação do erro experimental dos ensaios. A dispersão encontrada se deve, principalmente, a desvios no ren-dimento do produto grossso (Y). A

Figu-ra 3 ainda ilustFigu-ra, em um dos ensaios, a presença do ponto de inflexão em faixas granulométricas finas, denominado de “anzol” (fish-hook) [4], característico de

classificadores aerodinâmicos e de al-guns classificadores hidráulicos.

3.2 Influência de variáveis

operacionais no desempenho

do classificador

Efeito da freqüência de rotações

As Figuras 4 e 5 ilustram a influên-cia da freqüêninfluên-cia de rotações no desem-penho do classificador. O aumento mo-notônico do d50 a baixos ângulos das palhetas com a freqüência se deve à mai-or ação da fmai-orça centrífuga, uma vez que, nesses ângulos, a ação seletiva das

pa-Figura 3 - Curvas de partição de ensaios replicados do classificador processando o produto do britador de impacto a uma freqüência (ω_{) de 303 rpm, mostrando os}

parâmetros de avaliação de desempenho.

Figura 4 - Efeito da freqüência de rotações na curva de partição do classificador processando o produto do britador de impacto com umidade de 0,5% a uma taxa de alimentação de sólidos de 100 kg/h (± 10%) e θ _{= 60°.}

lhetas é muito limitada. Por outro lado, a diminuição significativa observada no d50 para os ensaios com o ângulo (θ) de 60° está associada à ação seletiva das

Efeito do ângulo das palhetas

As Figuras 6 e 7 mostram que, à medida que aumenta o ângulo das pa-lhetas, diminui o tamanho de corte e au-menta o curto circuito para o produto grosso, diminuindo o curto-circuito para o produto fino. Com o aumento do ân-gulo das palhetas (θ), mais dificultado se torna o percurso das partículas em torno do rotor, fazendo com que apenas as partículas muito finas reportem ao pro-duto fino do classificador.

Efeito do teor de umidade

Classificadores aerodinâmicos são notáveis pela sua sensibilidade à pre-sença de umidade na alimentação, a qual se apresenta, freqüentemente, como uma limitante de sua aplicação industrial [1]. A Figura 8 analisa o efeito do teor de umidade no desempenho do classifica-dor Sturtevant. Observa-se que o curto-circuito aumenta de forma significativa com o aumento do teor de umidade. Além disso, observa-se que a imperfeição de separação aumenta a ponto que nenhu-ma separação ocorre a teores de umida-de da orumida-dem umida-de 5%.

Esse efeito se deve ao fato de que a presença de umidade influencia, direta-mente, o grau de dispersão do material no interior do separador. A eficiência da classificação a seco, por sua vez, depen-de, fortemente, desse grau de dispersão. Quando partículas finas sofrem aglome-ração e não são adequadamente disper-sas no separador, elas tenderão a ser clas-sificadas junto ao produto grosso, ao invés de serem transportadas através do rotor até a descarga dos finos. O resulta-do é a diminuição significativa resulta-do tama-nho de corte e o aumento do curto-cir-cuito com o aumento do teor de umida-de, o que é observado nas Figuras 8 e 9.

Efeito da taxa de alimentação

O aumento da taxa de alimentação, com um fluxo constante de ar, faz com que a concentração de sólidos na sus-pensão no interior do classificador se

eleve, o que acarreta um aumento da for-ça de arraste sobre as partículas. O re-sultado é a diminuição do tamanho de corte com o aumento da taxa de

alimen-Figura 5 - Efeito da freqüência de rotações no desempenho do classificador processando o produto do britador de impacto com umidade de 0,5 % a uma taxa de alimentação de sólidos de 100 kg/h ± 10%.

Figura 6 - Efeito do ângulo das palhetas na curva de partição do classificador processando o produto seco do britador cônico a uma taxa de alimentação de sólidos de 180 kg/h (± 10%) e freqüência do rotor de 259 rpm.

Figura 7 - Efeito do ângulo das palhetas no desempenho do classificador processando o produto seco do britador cônico a uma taxa de alimentação de sólidos de 180 kg/h (± 10%) e freqüência do rotor de 259 rpm.

A Figura 10 mostra que, dentro do intervalo estudado, a influência da taxa de alimentação no desempenho do clas-sificador é muito limitada. O efeito suge-rido por Kolacz é somente observado para o ensaio realizado à taxa de alimen-tação superior à nominal do aparelho. Adicionalmente, uma influência muito li-mitada é observada da taxa de alimenta-ção no valor do curto-circuito.

Efeito da forma das partículas

A influência da forma das partícu-las é ilustrada na Figura 10, pela compa-ração dos resultados obtidos com o pro-duto do britador cônico (mais lamelar) e de impacto (mais isométrica). Observa-se que o tamanho de corte é, em geral, mais baixo para o caso do material com morfologia mais próxima da esférica (pro-duto britador de impacto). Assim, no caso desse material, partículas mais fi-nas são recuperadas com maior facilida-de no produto grosso, não sendo arras-tadas com a mesma facilidade pelo fluxo de ar que carrega o produto fino. Esse efeito, entretanto, é bastante limitado. Esse efeito também explica os maiores valores de curto-circuito observados para o produto dos britadores cônicos, que apresentam caráter mais lamelar. Ambos efeitos, entretanto, são, compa-rativamente, pequenos comparados aos demais analisados.

4. Conclusões

A investigação da influência das variáveis operacionais no desempenho do classificador aerodinâmico permitiu concluir que:

• A freqüência de rotações exerce al-guma influência na separação. Entre-tanto essa influência depende, sobre-maneira, do ângulo das palhetas. • O ângulo das palhetas exerce uma

in-fluência significativa no desempe-nho, com uma diminuição do tama-nho de corte com o aumento do ân-gulo.

• O teor de umidade influencia, signifi-cativamente, o desempenho do

clas-Figura 8 - Efeito do teor de umidade na curva de partição do classificador operando com θ _{= 30° e processando o produto do britador cônico a uma taxa de alimentação de}

sólidos de 240 kg/h ± 10% e freqüência do rotor de 259 rpm.

sificador, com efeitos particularmen-te grandes observados para particularmen-teores tão baixos quanto 0,8% e de tal ma-neira que nenhuma separação é ob-servada para teores superiores a 5%.

• Desde que abaixo da capacidade no-minal, a taxa de alimentação exerce uma influência muito limitada no de-sempenho do separador.

5. Agradecimentos

Os autores agradecem o auxílio fi-nanceiro da FINEP (CT-Mineral), do CNPq e da FAPERJ (CT-Infra).

6. Referências

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Figura 9 - Efeito do teor de umidade no desempenho do classificador operando com

θ _{= 30° e processando o produto do britador cônico a uma taxa de alimentação de}

sólidos de 240 kg/h ± 10% e freqüência do rotor de 259 rpm.

Figura 10 - Efeito da taxa de alimentação e da forma de partículas no tamanho de corte do classificador operando com θ _{= 30° e freqüência do rotor de 259 rpm com o material}

da alimentação seco.

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